CN110401498A - 一种基于电流回路控制的人体信道通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电流回路控制的人体信道通信系统，用于可穿戴式或植入式设备的通信。本发明系统的能量发送设备包括与体组织接触的一对电极和信号源，能量接收设备包括与体组织接触的另外一对电极、开关器件和负载，能量发送设备通过一对电极向能量接收设备传递能量，能量接收设备通过一对电极接收能量，形成一个能量传输电流回路，通过能量接收设备的基带数字信号控制开关器件的开闭，对能量传输电流回路进行切换，进而实现能量接收设备向能量发送设备的数据通信，可以节省硬件开销、降低系统功耗。

Description

一种基于电流回路控制的人体信道通信系统
技术领域
本发明涉及射频信号传输领域，特别涉及一种基于电流回路控制的人体信道通信系统。
背景技术
传统的可穿戴设备采用无线的方式或有源人体信道通信的方式，例如2016年1月发布在Nature期刊的“Fully integrated wearable sensor arrays for multiplexed insitu perspiration analysis”一文，采用蓝牙的方式实现可穿戴设备的通信，功耗比较大。又例如，在2019年2月发表在IEEE Journal of Solid-State Circuits期刊的“A Low-Power Compact IEEE 802.15.6Compatible Human Body Communication TransceiverWith Digital Sigma–Delta IIR Mask Shaping”一文，采用有源人体信道通信的方式，发射机的功耗为3.52mW。传统的植入式设备采用电感耦合或电容耦合的方式，来实现植入式设备和体外设备之间的通信，例如，在2019年4月发表在IEEE Journal of Solid-StateCircuits的“Simultaneous Transmission of Up To 94-mW Self-Regulated WirelessPower and Up To 5-Mb/s Reverse Data Over a Single Pair of Coils”一文采用电感耦合对植入式设备进行近场通信。又例如在2008年11月发表在IEEE Biomedical Circuitsand Systems Conference的“A Fully Integrated DPSK Demodulator for High DensityBiomedical Implants”中需要一个复杂的收发机电路，功耗达到8.4mW。可以看出，这些传统的可穿戴和植入式通信方法硬件开销大、功耗大。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于电流回路控制的人体信道通信系统，减小硬件开销、降低通信功耗。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于电流回路控制的人体信道通信系统，包括能量发送设备和能量接收设备；所述能量发送设备包括与体组织接触的一对电极和信号源；所述能量接收设备包括与体组织接触的另外一对电极、开关器件和负载；所述开关器件连接基带数字信号产生电路；所述能量发送设备通过一对电极向能量接收设备传递能量，能量接收设备通过一对电极接收能量，形成一个能量传输电流回路；基带数字信号控制开关器件的开闭，对能量传输电流回路进行切换，进而实现能量接收设备向能量发送设备的数据通信。
进一步地，所述能量发送设备还包括连接在信号源与电极之间的阻抗匹配网络，使信号源的能量能够无损失地传输到电极上。
进一步地，所述能量发送设备还包括连接在电极与阻抗匹配网络之间的双工器，用于隔离供电信号和通信信号。
进一步地，所述能量发送设备作为发射端，所述能量接收设备作为能量的接收端，信号源发射的功率加载在能量发送设备的一对电极上，供电的电流经过人体组织，能量接收设备的一对电极接收功率信号，形成能量传输电流回路。
本发明的有益效果是：传统的可穿戴式设备采用电池供电，通信采用无线的方式或有源人体信道通信的方式；传统的植入式设备供能通信采用电感耦合或电容耦合的方式。这些传统通信方法硬件开销大、功耗大。本发明中供电电流经过人体组织，以供能的信号为通信的载波，在能量接收端加入通信数据信号，实现能量接收设备到能量发送设备的通信。特点是供电的电流经过人体组织，通信是通过切换能量传输电流回路来实现的，且能够通过简单地切换开关器件实现通信。本发明显著降低了可穿戴和植入式通信设备的复杂度，具有低功耗的优势。
附图说明
图1是本发明的实施例的系统框图；
图2是本发明的实施例的详细工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明提供的一种基于电流回路控制的人体信道通信系统，包括能量发送设备和能量接收设备；能量发送设备包括与体组织接触的一对电极和信号源；能量接收设备包括与体组织接触的另外一对电极、开关器件和负载；开关器件连接基带数字信号产生电路；能量发送设备通过一对电极向能量接收设备传递能量，能量接收设备通过一对电极接收能量，形成一个能量传输电流回路；基带数字信号产生电路产生基带数字信号控制开关器件的开闭，对能量传输电流回路进行切换，进而实现能量接收设备和能量发送设备的数据通信。
进一步地，还可以在能量发送设备的信号源与电极之间设计阻抗匹配网络，阻抗匹配网络可以采用LC并联匹配网络，能量发送端输入通过匹配网络匹配到功率信号源的内阻，如50Ω，使信号源的能量能够无损失地传输到电极上；在电极与匹配网络之间还可以连接双工器，用于隔离供电信号对通信信号的干扰。
能量接收设备贴覆在体组织外侧或植入体组织内侧。
能量接收设备的开关器件可以采用差分变容二极管或MOS管等。
能量发送设备作为能量发射端，能量接收设备作为能量接收端，信号源发射的功率加载在能量发送设备的一对电极上，供电的电流经过人体组织，能量接收设备的一对电极接收功率信号，形成能量传输电流回路。
当能量发送端的电极上有信号输入时，能量接收端的电极上接收到信号。利用变容管或MOS管等作为开关器件，基带数字信号控制开关，来改变能量接收设备的等效负载阻抗，进而改变电流回路的电流值，造成能量发送端电极输入电流发生变化，能量发送设备可以采集其电极输入电流的变化，进行信号处理。本发明并没有采用传统的电容或电感耦合方式，以体组织为传输介质，利用电路开关器件的切换，实现能量接收设备到能量发送设备的通信。
具体地，如图1、2所示，当能量发送端电极对上有信号输入时，信号通过体组织介质，到达能量接收端的电极对。IEX1和IEX0是通过能量发送端的仪器注入到组织的电流，I1和I0是传递到能量接收设备的电流值，I损失是分布在体组织中的损失电流。本实施例中将差分变容二极管作为开关器件接入电路，使得能量接收设备的数据信号能够通过改变回路部分电容来改变能量接收设备的等效输入阻抗ZIN。由于均匀分布的体组织阻抗Z组织保持不变，ZIN以及Z组织的并联阻抗总体上发生变化，进而实现了数据对回路电流的切换。回路电流的两个状态分别对应为数据的“0”和“1”两个状态。数据为“0”时，开关断开，能量接收端的等效阻抗为Z1，能量接收端电流为I1，能量发射端注入体组织的电流值为IEX1。数据为“1”时，开关导通，能量接收端的等效阻抗为Z0，能量接收端电流为I0，能量发送端注入体组织的电流值为IEX0。因此，能量接收设备发送“0”和“1”数据时，能量接收设备输入阻抗变化，进而导致能量发送设备的输入电流变化。数据“1”时能量发送设备输入电流为IEX0，数据“0”时能量发送设备输入电流值IEX1。能量发送设备可以检测到IEX0和IEX1的切换，进而通过切换能量传输电流回路得以实现数据通信。
具体地，本发明用于可穿戴或植入式设备的通信时，能量发送设备包括与体组织接触的一对电极和信号源；能量接收设备包括与体组织接触的另一对电极、开关器件和负载；信号源发射的功率加载在能量发送设备的一对电极上，供电的电流穿透人体组织，能量接收设备的一对电极接收功率信号，形成能量传输电流回路；能量接收设备的基带数字信号产生电路产生基带数字信号控制开关器件的开闭，对能量传输电流回路进行切换，进而实现能量接收设备向能量发送设备的数据通信。
由以上实施例可以看出，本发明在能量发送设备向能量接收设备传输能量的同时，实现能量接收设备向能量发送设备的通信，具有结构简单、低功耗的优势。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于电流回路控制的人体信道通信系统，其特征在于，包括能量发送设备和能量接收设备；所述能量发送设备包括与体组织接触的一对电极和信号源；所述能量接收设备包括与体组织接触的另外一对电极、开关器件和负载；所述开关器件连接基带数字信号产生电路；所述能量发送设备通过一对电极向能量接收设备传递能量，能量接收设备通过一对电极接收能量，形成一个能量传输电流回路；基带数字信号控制开关器件的开闭，对能量传输电流回路进行切换，进而实现能量接收设备向能量发送设备的数据通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于电流回路控制的人体信道通信系统，其特征在于，所述能量发送设备还包括连接在信号源与电极之间的阻抗匹配网络，使信号源的能量能够无损失地传输到电极上。
3.根据权利要求2所述的一种基于电流回路控制的人体信道通信系统，其特征在于，所述能量发送设备还包括连接在电极与阻抗匹配网络之间的双工器，用于隔离供电信号和通信信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于电流回路控制的人体信道通信系统，其特征在于，所述能量发送设备作为发射端，所述能量接收设备作为能量的接收端，信号源发射的功率加载在能量发送设备的一对电极上，供电的电流经过人体组织，能量接收设备的一对电极接收功率信号，形成能量传输电流回路。
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